Химики создают новую высокоэнергетическую добавку в космическое топливо

Вещество, о котором говорит журнал Американского химического общества, называется диборид марганца (MnB2). При активизации оно выделяет больше энергии на единицу веса и объема, чем все современные энергетические добавки. Майкл Йенг, доцент и руководитель лаборатории в Университете Олбани, объясняет, что в ракетостроении важен каждый сантиметр и каждый грамм. Использование более эффективного топлива позволяет уменьшить его количество. Это освобождает место для исследовательских приборов при полете к цели и для ценных образцов на обратном пути.

Современное смесевое твердое ракетное топливо, как правило, состоит из окислителя (гранулы перхлората аммония, 60–70% по массе), горючего-связующего (различные полимеры или каучуки — 10–15%), пластификатора (5–10%), энергетической добавки (порошки металлов, алюминия, бериллия, магния или их гидридов — 10–20%), отвердителя (0,5–2,0%) и катализатора горения (как правило, окислы железа — 0,1–1,0%). Энергетические добавки повышают возможности топлива за счет высокой энергоемкости, плотности и реактивности, увеличивая скорость горения, температуру пламени, удельный импульс и тягу. Они также повышают теплопроизводительность топлива и снижают потери энергии.

Боросодержащие вещества, включая соединения бора и его гидриды, рассматриваются как эффективные высокоэнергетические добавки, способные к большому тепловыделению при взаимодействии с окислителями. Однако для горения бора требуется больше кислорода.

По расчетам, диборид марганца эффективнее алюминия по весу на 20%, а по объему — на целых 150%. При этом соединение безопасное и воспламеняется при контакте лишь с отдельными веществами, например, с керосином. Исследования в лаборатории Йенга показали, что похожие соединения бора могут помочь в создании более долговечных автомобильных катализаторов и даже в переработке пластика.

Российские ученые нашли безазотную альтернативу ракетному топливу

Диборид марганца относится к классу химических соединений, которые давно интересовали ученых своими необычными свойствами. Однако изучать их было сложно, потому что само вещество не удавалось получить в чистом виде. Аспирант Джозеф Доан рассказывает, что на дибориды обратили внимание еще в 1960-х годах, но лишь сейчас получилось создать соединения, которые раньше существовали лишь в теории.

Чтобы получить диборид марганца, нужен сильный нагрев. Для этого исследователи используют дуговую печь. Они спрессовывают порошки марганца и бора в небольшой шарик, который поместили в герметичную стеклянную камеру. Дуга в печи нагревает шарик до 3000°C. Расплавленный материал затем очень быстро охлаждают, чтобы зафиксировать его структуру. На атомном уровне этот процесс заставляет центральный атом марганца связаться со слишком большим числом других атомов. Получается переуплотненная решетка, сжатая, как пружина.

Чтобы понять, почему соединение так себя ведет, нужно было изучить его молекулярную структуру. Здесь на помощь пришли компьютерные модели, которые создал аспирант Грегори Джон под руководством химика-теоретика Алана Чена. Моделирование показало ключевую особенность — небольшое искажение в строении атомной решетки, которое и наделяет вещество огромной потенциальной энергией.

Джон сравнивает структуру диборида марганца с мороженым-сэндвичем, где внешние слои — это решетка из соединенных шестиугольников. Если присмотреться, видно, что эти шестиугольники не идеальны, а немного перекошены. Это искажение и есть деформация. По ее степени можно судить, сколько энергии запасено в материале. Майкл Йенг предлагает другую аналогию: «Представьте ровный батут — в нем нет энергии. Но если положить в центр тяжелый груз, батут прогнется. Этот прогиб и есть накопленная энергия. Когда наше соединение воспламеняется, это похоже на то, как с батута убирают груз — энергия мгновенно высвобождается».

Алан Чен подчеркивает, что среди химиков существует общее мнение: соединения бора должны обладать особыми свойствами. Исследование этих свойств — одна из ключевых задач химии материалов. Для создания более твердых, прочных и устойчивых материалов нужны новые химические вещества. Этим и занимается лаборатория Йенга.

Исследование диборида марганца — это яркий пример научного поиска, когда ученые открывают новые химические свойства, даже не зная, как их можно применить. Иногда результаты оказываются неожиданными. Йенг увлекся соединениями бора еще в аспирантуре, когда работал над проектом по созданию материалов тверже алмаза. Однажды он впервые получил вещество, похожее на диборид марганца. Он ожидал, что оно будет невероятно твердым, но оно начало нагреваться и окрашиваться в оранжевый цвет. Тогда Йенг осознал, насколько мощными энергетически могут быть соединения бора, и решил продолжать работу в этом направлении.

Фото Brian Busher